JP2005114720A - 光学材料のレーザー損傷閾値評価方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 光学材料(12)に、下記式(1)で表される波長λ(nm)を有しパルス幅が10-16s以上10-6s以下であるパルスレーザー光を集光照射し、光学材料のエネルギー密度を増大させて二光子吸収を発生させ、入射レーザー光の透過率を測定し、二光子吸収に起因する透過率低下を求めレーザー損傷閾値を評価する。
λ0≦λ≦−100logT−560+λ0(nm) ・・・(1)
(ただし、λ0はその光学材料の透過限界波長(単位nm)、Tはパルス幅(単位s)である)
【選択図】図2
Description
(ただし、λ0はその光学材料の透過限界波長(単位nm)、Tはパルス幅(単位s)である)
第2には、第1の発明において、パルスレーザー光のパルス幅が10-15s以上10-7s以下であることを特徴とする光学材料のレーザー損傷閾値評価方法を提供する。
(ただし、λ0はその光学材料の透過限界波長(単位nm)、Tはパルス幅(単位s)である)
第4には、第1ないし3いずれかの発明において、光学材料に対して、前記パルスレーザー光をスキャンさせ、光学材料内の多数の位置において二光子吸収に起因する透過率の低下を測定し、その結果を三次元でマッピングすることで光学材料の材料内全体について品質を評価することを特徴とする光学材料のレーザー損傷閾値評価方法を提供する。
(ただし、λ0はその光学材料の透過限界波長(単位nm)、Tはパルス幅(単位s)である)
なお、この出願の明細書において、「光学材料」とは、光学結晶の他、石英ガラス等のガラス、プラスチック等の光学分野に使用される材料を意味する。
(ただし、λ0はその光学材料の透過限界波長(単位nm)、Tはパルス幅(単位s)である)
パルスレーザー光の波長が透過限界波長よりも短い場合には、パルスレーザー光の透過が極めて小さくなるため透過率低下によるレーザー損傷閾値の評価が困難となり、パルスレーザー光の波長が上記式(1)の上限より長い場合には二光子吸収の発生が少なくなり、効果的な光学材料のレーザー損傷閾値評価方法が困難となる。また、パルスレーザー光のパルス幅が10-16sより短いものは現在の技術では達成が困難であり、パルスレーザー光のパルス幅が10-6sより長くなると、パルスレーザー光照射によるレーザー損傷が発生するおそれがでてくる。
I0=Iexp(−A)
ここで、A=(α+βI)d
α:線形吸収係数
β:二光子吸収係数
d:光学材料の厚さ
I:入射レーザー光強度
I0:透過レーザー光強度
透過後のレーザー光強度である透過レーザー光強度I0は光学材料の特性である二光子吸収係数βに依存して入射レーザー光強度Iの2乗にしたがって減少する。なお、当然線形吸収係数αにも差は見られるが、非常に小さいため分光器などでは計測は困難である。
この出願の発明の光学材料のレーザー損傷閾値評価方法の一例を用いて、試料のレーザー損傷閾値の評価を行った。なお、紫外光ではない波長532nmのレーザー光を用いた場合のレーザー損傷閾値も同様に評価した。
この出願の発明の光学材料のレーザー損傷評価方法の一例を用いて、半導体リソグラフィー用のステッパー光学系や紫外用光学材料の一つであるCaF2結晶(限界透過波長150nm)について評価を行った。CaF2結晶は、紫外レーザー光(波長266nm、パルス幅4〜5ns)に対するレーザー損傷閾値がA:5.8mJ/cm2、B:13.4mJ/cm2、C:22.9mJ/cm2のそれぞれ異なる結晶品質(レーザー損傷閾値)のものを用意した。
この出願の発明の光学材料のレーザー損傷評価方法の一例を用いて、レーザーの光学系に幅広く用いられている石英ガラス材料(限界透過波長180nm)について同様の評価を行った。石英ガラス材料は、通常の石英ガラス(レーザー光(波長266nm、パルス幅4〜5ns)に対するレーザー損傷閾値6.9mJ/cm2)と紫外域でのレーザー耐性の改善のためにフッ素を100ppm(8.4mJ/cm2)ドープしたものと3700ppm(8.2mJ/cm2)ドープしたもの((同レーザー損傷閾値8.2〜8.4mJ/cm2)したものをそれぞれ用意した。
一方、上記の例の比較例として、図6に示すように、パルス幅6〜7nsのNd:YAGパルスレーザー(1)から直線偏光の第2高調波(波長532nm)を発生させ、その532nmレーザー光を光学結晶からなる試料(12)に照射し、その透過率の変化を測定した。なお、Nd:YAGパルスレーザー(1)からの532nmレーザー光をプリズム(3)を用いてミラー(5)に照射して反射させ、その他の波長のレーザー光をビームダンパー(4)に照射し、波長532nmレーザー光のみを、1/2波長板(6)、偏光子(7)、ビームスプリッター(8)からなるアテニュエータ(9)を通過させ、出力の一部をパワーメータA(10)でモニターしてその残りの出力を焦点距離100mmの短焦点レンズ(11)で試料(14)内に集光し、その試料(14)を透過したレーザー光の強度をパワーメータB(13)で測定した。なおこの場合、試料(14)として結晶性が異なりレーザー損傷耐力が異なる厚さ10mm程度の2つのCLBO結晶(試料A(レーザー光(波長266nm、パルス幅4〜5ns)に対するレーザー損傷閾値19GW/cm2)、試料B(同レーザー損傷閾値15GW/cm2):透過限界波長180nm)を用いており、試料A、試料Bのどちらとも図5のグラフに示すように、透過レーザー光と入射レーザー光の強度の関係はほぼ線形で、結晶品質による吸収の差はほとんど見られなかった。この比較例で用いたパルスレーザー光の波長は上記式(1)の範囲外のものであった。したがって、波長532nmのレーザー光を用いた場合には二光子吸収を発生させることができず、レーザー損傷閾値を求めることはできないことが分かった。
2 CLBO結晶
3 プリズム
4 ビームダンパー
5 ミラー
6 1/2波長板
7 偏光子
8 ビームスプリッタ−
9 アテニュエータ
10 パワーメータA
11 短焦点レンズ
12、12A、12B、12C 試料
13 パワーメータB
14、14A、14B 試料
Claims (4)
- 光学材料に、下記式(1)で表される波長λ(nm)を有しパルス幅が10-16s以上10-6s以下であるパルスレーザー光を集光照射し、光学材料のエネルギー密度を増大させて二光子吸収を発生させ、入射レーザー光の透過率を測定することで二光子吸収に起因する透過率低下を求め、レーザー損傷閾値を評価することを特徴とする光学材料のレーザー損傷閾値評価方法。
λ0≦λ≦−100logT−560+λ0(nm) ・・・(1)
(ただし、λ0はその光学材料の透過限界波長(単位nm)、Tはパルス幅(単位s)である) - パルスレーザー光のパルス幅が10-15s以上10-7以下であることを特徴とする請
求項1記載の光学材料のレーザー損傷閾値評価方法。 - パルスレーザーの波長λ(nm)が、下記式(2)で表される波長であることを特徴とする請求項1または2記載の光学材料のレーザー損傷閾値評価方法。
λ0≦λ≦−110logT−685+λ0(nm) ・・・(2)
(ただし、λ0はその光学材料の透過限界波長(単位nm)、Tはパルス幅(単位s)である) - 光学材料に対して、前記パルスレーザー光をスキャンさせ、光学材料内の多数の位置において二光子吸収に起因する透過率の低下を測定し、その結果を三次元でマッピングすることで光学材料の材料内全体について品質を評価することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の光学材料のレーザー損傷閾値評価方法。
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